1

6 VETERNÉ ELEKTRÁRNE

2

6.1 Vietor

– ako energetický zdroj

Základný princíp vzniku vetra

- vietor vzniká vplyvom nerovnomerného ohrevu zemského povrchu slnečným žiarením. Vzniká

vyrovnaním tlakových rozdielov, vanie vždy od tlakovej výše k tlakovej níži

- nad rovníkom sa vzduch ohrieva a stúpa nahor, keďže je ľahší,

- od obidvoch pólov sa k rovníku na "uvoľnené miesto" tlačí vzduch studený,

- teplý vzduch prúdi vo výške späť k pólom a postupne sa ochladzuje, kde opäť klesá. Tento

cyklus sa stále opakuje.

http://zmeny-klimatu.blog.cz/0906/zakladni-informace-o-vzniku-vetru

Mastný, P. a kol.: Obnovitelné zdroje elektrické energie, ČVUT Praha

http://windeis.anl.gov/guide/basics/index.cfm

Tento popísaný základný princíp však ovplyvňuje niekoľko aspektov:

- otáčanie Zeme, ktoré smer vetru vychyľuje doprava na severnej pologuli a doľava na južnej pologuli,

- členitosť terénu, do ktorého vietor naráža a mení smer,

- rozdielny čas ohrievania vody a pevniny a teda aj vzduchu, ktorý prúdi rôznou rýchlosťou v rôznych oblastiach

Asi 1-2 % slnečnej energie sa premieňa na kinetickú energiu vzduchu a je možné ju využívať vo

veterných turbínach.

3

Morský vánok (bríza)

je typ vetra častý pri moriach, oceánoch alebo väčších vodných hladinách.

-

celá cirkulácia vetra medzi pobrežím a morom je spôsobená vyrovnávaním tlaku, ktorý spôsobuje

pohyby vzdušných más.

-

morský vánok je bežný hlavne cez deň. Slnečné svetlo svieti na vodnú hladinu a na pevninu. Z

fyzikálnych vlastností vody vychádza, že má väčšiu tepelnú kapacitu a dlhšie sa zohrieva. Preto sa

pevnina zohreje skôr a sála teplo, ktoré zohrieva vzduch nachádzajúci sa nad ňou. Tento zohriaty

vzduch stúpa do väčších výšok odkiaľ sa pohybuje smerom nad vodnú hladinu. Nad pevninou vzniká

tlaková níž. Vietor nad morom postupne stráca svoju teplotu a preto klesá opäť dole k vodnej

hladine. Nad vodnou hladinou tak vzniká tlaková výš. Z dôvodu vyrovnávaniu tlakov tento už

ochladený vietor smeruje opäť k pevnine (do tlakovej níže), kde sa zohrieva a cirkulácia sa opakuje.

-

tento vietor pociťujeme ako chladnejší vánok, ktorý fúka od mora, oceánu alebo inej väčšej vodnej

plochy.

-

v noci sa voda ochladzuje pomalšie ako pevnina (vietor smeruje od pevniny smerom k moru)

http://pl.wikipedia.org/wiki/Bryza
http://www.youtube.com/watch?v=3gmbnbldl-w
http://www.youtube.com/watch?v=XuI-M25Ss04

http://sk.wikipedia.org/wiki/Morsk%C3%BD_v%C3%A1nok

http://www.youtube.com/watch?v=ZQV72Yzmjyc

4

6.2 Výkon a energia vetra

Energiu pohybujúcej sa hmoty vzduchu je možné vyjadriť rovnicou:

m

- hmotnosť vzduchu

v

- rýchlosť vzduchu

ρ

- density of air

A

– plocha, ktorou daný objem vzduchu preteká

s

– dráha, ktorú prekoná pohybujúci sa vzduch

V

– objem vzduchu

Výkon vetra pretekajúceho jednotkovou plochou:

Výkon vetra pretekajúceho jednotkovou

plochou je priamo-úmerný hustote vzduchu

a tretej mocnine rýchlosti vetra.

Zvýšenie rýchlosti vetra o 20 % zvýši

generovaný výkov o 73 %.

5

Rýchlosť vetra a výkon vetra sú časovo premenné veličiny.

Energia vetra pretekajúceho jednotkovou plochou za dané obdobie je daná vzťahom:

ρ

- hustota vzduchu [kg/m

3

]

http://www.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/70-hustota-sucheho-vzduchu

6

6.3 Veterné elektrárne

- zariadenia, v ktorých sa kinetická energia vetra premieňa na mechanickú energiu

(turbína), ktorá je následne transformovaná na elektrickú energiu (generátor).

http://www.mechanicalengineeringblog.com/tag/introduction-to-wind-turbine/

http://turbinegenerator.org/wind/how-wind-turbine-works

Výkon veternej turbíny

- kinetická energia vetra sa po prechode cez vrtuľu veternej elektrárne znižuje, pretože jej

časť sa mení na mechanickú energiu

- Albert Betz v roku 1920 dokázal, že ideálna veterná elektráreň môže premeniť na

mechanickú energiu maximálne 59,3 % kinetickej energie vetra, pri spomalení jeho

rýchlosti na jednu tretinu

c

p

-

výkonový činiteľ - udáva, aká časť kinetickej energie vetra je premenená na mechanickú

v

2

/v

1

-

pomer rýchlosti vetra za turbínou ku rýchlosti vetra pred turbínou

7

Za predpokladu, že plocha (Swept Area of Blades in m

2

)

http://www.mechanicalengineeringblog.com/tag/introduction-to-wind-turbine/

http://turbinegenerator.org/wind/how-wind-turbine-works

Maximálny výkon veternej elektrárne sa určí:

[W; kg.m

-3

, m, m.s

-1

]

D

VTE firmy ENERCON – vplyv veľkosti

na výkon

8

6.4 Rozdelenie veterných turbín

Podľa výkonu

a)

malé

(asi do 20 kW pre rodinné domy, farmy, osvetlenie, ...)

http://news.bbc.co.uk/2/hi/uk/6969865.stm

http://www.energor.com/Wind%20Power%20System.html

Off-grid wind turbine system

On-grid wind turbine system

b)

stredné

(od 20 do 50 kW)

c)

veľké

(nad 50 kW).

- nad 20 kW sa takmer výhradne používajú pre dodávky energie do verejnej siete

.

9

Podľa umiestnenia rotora

a)

veterné turbíny s horizontálnou osou

- sú v súčasnej dobe najrozšírenejšie

- najvyššie využitie výkonu je možné dosiahnuť 2 a 3-listovými vrtuľami,

- aby mohla vrtuľa čo najlepšie zachytiť energiu vetra, je hlava veternej elektrárne, tzv.

gondola, umiestnená na stožiari otáčavo (pomocou elektromotora)

1. Wind causes blades to rotate

2. Shaft turns generator to produce electrical energy

3. A transformer turns this into high-voltage electricity

4. Electricity is transmitted via the power grid

10

http://www.mechanicalengineeringblog.com/tag/introduction-to-wind-turbine/

Janíček, F.: Obnoviteľné zdroje energie 1. Bratislava, 2007

http://referaty.atlas.sk/ostatne/nezaradene/19064/?print=1

Zloženie veternej turbíny

Aktívna regulácia (pitch) – využíva natáčanie celého

listu rotora podľa okamžitej rýchlosti vetra.
Brzda sa využíva najmä pri zastavovaní turbíny a jej

odstávke.
Pevodovka slúži na zvýšenie pomerne nízkych otáčok

rotora (20-30 ot./min) na vysoké nominálne otáčky

generátora (napr. 1500 ot./min). Obsahuje systém pre

dynamickú zmenu prevodového pomeru, ktorý umožňuje

udržiavať konštantné otáčky rotora generátora v celom

rozsahu pracovných otáčok veternej elektrárne. Táto

regulácia umožňuje prevádzkovať elektráreň pri

premenlivých otáčkach rotora, ktoré sú závislé od

rýchlosti vetra a zároveň udržiavať konštantné výstupné

otáčky pre pohon generátora.
V roku 1992 firma Enercon prišla s bezprevodovkovou

technológiou. Použitím mnohopólového generátora nie je

potrebné prevádzať otáčky hlavného hriadeľa do rýchla.

Generovaný prúd s premenlivými parametrami je

pomocou výkonovej elektroniky transformovaný a

frekvenčne prispôsobený parametrom siete, do ktorej je

elektráreň pripojená.

11

12

http://www.i15.p.lodz.pl/strony/EIC/res/Description_of_technology_wind_power.html

13

- dolná hranica energetického využitia vetra je cca 4 m.s

-1

,

- optimálna rýchlosť vetra je cca 14 m.s

-1

.

- pri prekročení tejto rýchlosti musí byť vetrom poskytovaný výkon obmedzovaný a časť

energie zostáva nevyužitá.

- horná hranica je 25 m.s

-1

.

- vyššie rýchlosti sú už nebezpečné, pretože môžu spôsobiť škody na zariadeniach veternej

elektrárne.

- z tohto dôvodu sa veterné elektrárne pri takýchto rýchlostiach odstavujú alebo sa natočia

do bezpečnej polohy.

- ekonomicky najlepšie využiteľné lokality sú s priemernou ročnou rýchlosťou vetra aspoň

8 m.s

-1

.

Výkonový diagram veternej turbíny

14

Vplyv výšky stožiara na výkon veternej turbíny

http://www.solarwindtek.com/site/windFAQs.shtml

1 foot = 0,3048 meters

1 miles per hour = 0,44704 meters / second

15

Vývoj výkonov veterných turbín

http://nextbigfuture.com/2012/06/800-
foot-tall-wind-turbines-are.html

Note: Currently, the world’s largest wind turbine is

manufactured by Enercon and produces 7,5 MW

16

b) veterné turbíny s vertikálnou osou

- princíp fungovania veterného zariadenia je rovnaký ako u veterných elektrární s

horizontálnou osou otáčania (t.j. prostredníctvom prevodov sa prenáša rýchlosť otáčania

turbíny na generátor)

- strojovňu s generátorom majú umiestnenú na zemi, čo sa pokladá za veľkú výhodu v

porovnaní s veternými elektrárňami s horizontálnou osou otáčania. Výhoda spočíva v tom,

že montáž a statika predstavuje oveľa menší problém

- veľkou výhodou u týchto rotorov je, že nie je potrebné ich natáčať do smeru vetra
- nevýhoda: nižšia účinnosť oproti turbínam s horizontálnou osou
- použitie pri menších výkonoch

Rotory, ktoré sú najviac používané vo veterných elektrárňach s vertikálnou osou

otáčania sú:
- Savoniusov rotor
- Darrieusov rotor
- H rotor

17

Tip speed ratio: ratio of the speed of the windmill rotor tip,

at radius R when rotating at ω radians/second, to the speed

of the wind V, and is numerically:

18

6.5 Veterné farmy

- keďže veterná energia má pomerne nízku úroveň koncentrácie, vo vhodných lokalitách sa

sústreďujú veterné elektrárne do tzv. veterných fariem

- pri výstavbe veternej farmy sa jednotlivé elektrárne rozmiestňujú tak, aby si navzájom

neznižovali výkon

- minimálny rozostup v smere kolmom na smer vetra má byť min. 4xD, v smere vetra 6xD.

Example turbine spacing in a wind farm

Pripájanie veterných elektrární do siete

- inštalovaný výkon veterných elektrární je

rozhodujúcim faktorom na určenie

napäťovej hladiny siete, do ktorej bude

veterná elektráreň pripojená.

http://www.planningni.gov.uk/index/policy/policy_publications/planning_statements/pps18/pps18_annex1/pps18_
annex1_wind/pps18_annex1_technology/pps18_annex1_spacing.htm

19

Spôsoby prepájania jednotlivých generátorových agregátov veterných elektrární:

b) kruhové zapojenie pre vyvedenie výkonu

a) radiálne zapojenie pre vyvedenie výkonu

Kruhové zapojenie sa vyznačuje vyššími investičnými nákladmi, ale vyššou

spoľahlivosťou a nižšími stratami energie vo vnútornej sieti.

20

Umiestnenie veterných fariem

a) on-shore

b) off-shore

Betonový základ VTE

F

our main types of wind turbine foundations —

monopile, jacket, tripile and gravity base

21

22

23

AC/DC offshore converter station Borwin Beta

24

6.6 Installed capacity of wind power plants

http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/statistics/Wind_in_power_annual_statistics_2012.pdf

25

http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/statistics/Wind_in_power_annual_statistics_2012.pdf

26

27

http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_farm

28

29

http://www.tpa-horwath.pl/sites/default/files/publications/downloads/wind_energy_2012.pdf